Номер 7, страница 36 - гдз по физике 11 класс тетрадь для лабораторных работ Парфентьева

Лабораторная работа № 6. Определение показателя преломления вещества по предельному углу полного внутреннего отражения - номер 7, страница 36.

Условие.

7. Контрольные вопросы

1. Дайте определение абсолютного и относительного показателей преломления.

2. Можно ли сказать, что абсолютный показатель преломления имеет наименование, а относительный нет?

3. При явлении полного внутреннего отражения может ли небольшой световой поток проходить через границу сред?

4. Какое условие необходимо, чтобы треугольная призма была оборачивающей?

5. За счёт чего возникают погрешности при определении показателя преломления в этой работе?

6. Какие свойства вещества определяют его показатель преломления?

7. Влияет ли прозрачность на показатель преломления среды?

8. Что означает термин «оптически более плотная среда»?

Решение.

1. Абсолютный показатель преломления ($n$) среды – это безразмерная физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме ($c$) к фазовой скорости света в этой среде ($v$). Он показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше, чем в вакууме. Математически это выражается формулой: $n = \frac{c}{v}$.
Относительный показатель преломления ($n_{21}$) второй среды относительно первой – это безразмерная физическая величина, равная отношению скорости света в первой среде ($v_1$) ко скорости света во второй среде ($v_2$). Он также равен отношению абсолютных показателей преломления второй ($n_2$) и первой ($n_1$) сред. Математически это выражается формулой: $n_{21} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}$.
Ответ: Абсолютный показатель преломления — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде ($n=c/v$). Относительный показатель преломления — это отношение скоростей света в двух средах или отношение их абсолютных показателей преломления ($n_{21} = n_2/n_1$).

2. Нет, так сказать нельзя. И абсолютный, и относительный показатели преломления являются безразмерными величинами. Они определяются как отношение двух скоростей (например, $n = c/v$), единицы измерения которых (м/с) сокращаются. Поэтому ни абсолютный, ни относительный показатель преломления не имеют наименования (единицы измерения).
Ответ: Нет, ни абсолютный, ни относительный показатель преломления не имеют наименования, так как являются безразмерными величинами.

3. В идеализированном представлении при полном внутреннем отражении весь световой поток отражается от границы раздела двух сред, и свет не проходит во вторую среду. Однако на границе раздела во второй (оптически менее плотной) среде возникает так называемая затухающая (или неоднородная) волна, которая распространяется вдоль границы и экспоненциально затухает вглубь второй среды. Если на расстоянии порядка длины волны от границы раздела поместить третью, оптически более плотную среду, то часть светового потока может перейти в неё. Это явление называется нарушенным полным внутренним отражением (НПВО). Таким образом, в определённых условиях небольшой световой поток может проходить через границу.
Ответ: Да, в явлении нарушенного полного внутреннего отражения, когда третья среда находится очень близко к границе раздела, небольшой световой поток может пройти через границу.

4. Оборачивающей называют призму, которая переворачивает (инвертирует) изображение. Часто для этой цели используют прямоугольную равнобедренную призму. Чтобы такая призма работала как оборачивающая за счёт полного внутреннего отражения от её гипотенузной грани, необходимо, чтобы угол падения света на эту грань был больше предельного (критического) угла полного внутреннего отражения $\alpha_{крит}$.
Для прямоугольной призмы лучи обычно падают на гипотенузу под углом 45°. Следовательно, должно выполняться условие: $45° > \alpha_{крит}$. Так как синус предельного угла $\sin(\alpha_{крит}) = \frac{1}{n}$, где $n$ – показатель преломления материала призмы, то получаем: $\sin(45°) > \sin(\alpha_{крит})$, то есть $\frac{\sqrt{2}}{2} > \frac{1}{n}$. Отсюда следует основное условие для материала призмы: $n > \sqrt{2} \approx 1.414$.
Ответ: Необходимо, чтобы показатель преломления материала призмы был больше, чем $\sqrt{2}$ (то есть $n > 1.414$), чтобы на её гранях происходило полное внутреннее отражение.

5. Поскольку контекст "этой работы" не указан, перечислим общие источники погрешностей при определении показателя преломления, например, с помощью гониометра и призмы:
1. Инструментальные погрешности: неточность шкалы гониометра, погрешности изготовления призмы (отклонение преломляющего угла от номинального, неплоскостность граней).
2. Методические погрешности: неточная установка призмы, сложность точной фиксации положения минимального отклонения луча, использование немонохроматического света (что приводит к размытию изображения из-за дисперсии).
3. Субъективные погрешности: неточность снятия отсчётов со шкалы (ошибка параллакса), неточность наведения на изображение.
4. Внешние факторы: колебания температуры, которые могут незначительно изменять показатель преломления.
Ответ: Погрешности возникают из-за неточности измерительных приборов, ошибок в методике эксперимента, субъективных ошибок наблюдателя и влияния внешних условий.

6. Показатель преломления вещества определяется его способностью поляризоваться под действием электрического поля световой волны. Эта способность зависит от нескольких фундаментальных свойств и условий:
1. Химический состав и строение вещества: тип атомов и молекул, их концентрация, характер химических связей и структура.
2. Плотность вещества: как правило, чем больше плотность, тем выше показатель преломления.
3. Температура и давление: изменение этих параметров влияет на плотность вещества и, следовательно, на его показатель преломления.
4. Длина волны света (частота): зависимость показателя преломления от длины волны называется дисперсией.
На макроскопическом уровне показатель преломления связан с относительной диэлектрической проницаемостью $\varepsilon_r$ и относительной магнитной проницаемостью $\mu_r$ вещества соотношением Максвелла: $n = \sqrt{\varepsilon_r \mu_r}$.
Ответ: Показатель преломления определяется химическим составом, строением и плотностью вещества, а также зависит от внешних условий (температуры, давления) и длины волны падающего света.

7. Прозрачность и показатель преломления — это взаимосвязанные, но разные оптические свойства. Прозрачность характеризует способность среды пропускать свет (то есть описывает поглощение и рассеяние), а показатель преломления характеризует уменьшение скорости света в среде.
С одной стороны, чтобы свет преломлялся, среда должна быть прозрачной. В непрозрачной среде свет не распространяется, а поглощается или отражается.
С другой стороны, на физическом уровне преломление и поглощение тесно связаны. Показатель преломления в общем случае является комплексной величиной $\tilde{n} = n + i\kappa$, где действительная часть $n$ — это показатель преломления, а мнимая часть $\kappa$ (коэффициент экстинкции) определяет поглощение. Прозрачные среды имеют очень малое значение $\kappa$. Таким образом, хотя прозрачность напрямую не определяет величину показателя преломления $n$, эти две величины являются аспектами одного процесса взаимодействия света с веществом.
Ответ: Прямого влияния нет, это разные характеристики. Однако среда должна быть прозрачной, чтобы свет в ней преломлялся. Физически, преломление и поглощение (определяющее прозрачность) являются двумя аспектами одного и того же процесса взаимодействия света с веществом.

8. Термин «оптически более плотная среда» означает среду с бо́льшим абсолютным показателем преломления по сравнению с другой средой. В такой среде скорость распространения света меньше. Например, вода ($n \approx 1.33$) является оптически более плотной средой по сравнению с воздухом ($n \approx 1.0003$).
Оптическая плотность не всегда напрямую связана с физической плотностью (массой на единицу объёма). Например, скипидар физически менее плотен, чем вода, но является оптически более плотной средой ($n_{скипидара} \approx 1.47 > n_{воды} \approx 1.33$).
Ответ: «Оптически более плотная среда» — это среда, имеющая больший показатель преломления, в которой свет распространяется с меньшей скоростью.